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一文详解气体代谢测试技术的原理和应用

导语

气体代谢测试技术是一种用于评估个体在运动过程中心肺功能和能量代谢状态的科学方法，在运动心肺功能评估、科学营养供给、以及疾病诊断治疗中有广泛的应用。本期干货将详细介绍气体代谢测试技术的概念、原理、重要指标以及应用方向。

气体代谢测试技术的概念

气体代谢测试技术是一种用于评估个体在运动过程中心肺功能和能量代谢状态的科学方法。气体代谢测试基于间接测热法的原理，根据一定时间内氧消耗量、二氧化碳产生量计算出人体的能量消耗，以及三大营养物质（碳水化合物、脂肪和蛋白质）在能量消耗中的构成。其装置可与跑步机、功率车等负载设备配合，测试人体在不同运动负荷下的摄氧量、二氧化碳排出量。气体代谢测试为心肺功能的评估、疾病的诊断治疗以及科学的营养供给提供了参考。

气体代谢主要获得通气量VE、摄氧量 VO₂、二氧化碳排出量 VCO₂、呼吸熵RQ(RER) 等重要参数。接下来我们将具体介绍这些参数并解释它们的意义。

气体代谢中的重要指标

通气量(VE)

通气量（VE）是静息状态下，维持正常气体交换的通气量。通气量(VE)等于潮气量(VT)与呼吸频率(BF)的乘积，即公式为VE=VT*BF

摄氧量(VO₂)

摄氧量(VO₂)是指在人体进行最大强度的运动，各器官、系统机能达到最高，机体所能摄入的氧气含量。作为耐力运动员的重要选材依据之一，是反映人体有氧运动能力的重要指标，高水平最大摄氧量是高水平有氧运动能力的基础。

摄氧量(VO₂)等于吸入和呼出氧总量的差，即吸入气体容积(VI)乘吸入气的氧浓度(FiO₂，一般大气为20.9%)减去呼出气体容积(VE)乘呼出气的平均氧浓度(FeO₂，一般人体呼出气的氧浓度为15%左右)，所以计算公式为VO₂=VI*FiO₂-VE*FeO₂

其中VE比VI略大，因为，吸入的空气时环境温度和环境湿度下的体积，进入体内后，被加温3摄氏度、100%饱和水蒸气，所以体积会增大。不过，通过环境参数测量，我们也可以计算气体体积变化的比例，目前有不少先进的仪器自带环境参数测量模块，从而得到BPTS(标准大气压、37摄氏度、100%饱和湿度)的校正系数，这样使测量结果更加精确、重复性更好。

二氧化碳排出量(VCO₂)

VCO₂指的是机体单位时间内经肺呼出二氧化碳的多少。二氧化碳排出量(VCO₂)同摄氧量的计算公式，等于吸入和呼出二氧化碳总量的差，但由于吸入气体一般为空气或高浓度氧气，其中二氧化碳浓度很低，所以可忽略不计，这样整个公式可简化为呼出气体容量(VE)乘呼出气平均二氧化碳浓度(FCO₂,一般人体呼出的二氧化碳浓度5%左右)，即公式为VCO₂₌VE*FeCO₂

呼吸熵(RQ)

呼吸熵(RQ)也称气体交换率(RER)它是二氧化碳排出量和摄氧量的比值，安静状态下，其比值为0.7到1.0之间，具体数据取决于食物底料。即公式为RER(RQ)=VCO₂/VO₂

呼吸熵（RQ）指单位时间内进行呼吸作用的生物释放CO₂量与吸收O₂量的比值

RQ＜0.70表示喂养不足

RQ of 0.70-0.79主要燃烧脂肪

RQ of 0.80-0.82主要燃烧蛋白质

RQ of 0.83-0.89燃烧脂肪和碳水化合物的组合

RQ of 0.90-1.0主要燃烧碳水化合物

RQ ＞1.00表示过度喂养（过度换气也会导致这种情况）

静息能量消耗值(REE）

静息能量消耗值(REE）是指机体禁食2h以上，在合适温度下平卧休息30min后，温度在24℃-26℃，湿度在45%-60%、周围环境安静条件下的能量消耗，主要用于维持机体细胞、器官的正常功能和人体的觉醒状态。成年人正常REE参考值在1000-3000cal。

如果REE高于预计值，这可能意味着受试者肌肉质量比普通人多和/或身体更健康。如果REE低于预计值，受试者肌肉质量可能比普通人少，或者新陈代谢可能因饮食史或某些医疗状况而改变。

REE/REE H-B%:低代谢<90%；正常代谢90-110%；高代谢>110%

静息代谢率（RMR）

RMR是测定维持人体正常功能和体内稳态，再加上交感神经系统活动所消耗的能量，RMR在每日能量总消耗中所占的比重最大（60%-75%）。

三大营养物质氧化率(CHO%、FAT%、PRO%)

三大营养物质氧化比例可指导能量供给是否正常，代谢过程是否存在问题。

正常供能顺序：CHO%→FAT%→PRO%

碳水化合物提供的能量应占每天能量消耗的60%左右，脂肪占25%左右，蛋白质占15%左右。

三大营养物质——脂肪、蛋白质、碳水化合物

运动心电图

运动心电图是一个相对独立的部分，它给气体代谢部分提供心率(HR)一个指标，摄氧量比心率就可得到氧脉搏(O₂Pulse或VO₂HR),即O₂Pulse=VO₂/HR

这是反映心脏射血机能的一个重要指标。现在一些先进的仪器能做到十二导运动心电图和气体代谢同步记录同步回放，这样给心肺功能的综合评估带来不少便利。

气体代谢测试的方法

气体代谢测试是基于间接测热法（Indirect Calorimetry）发展起来的。最初，研究人员用道格拉斯气袋（Douglasbag），收集受试者经过三通单向阀的呼出气体，每隔一段时间（30s或1min）更换一个气袋，整个测试过程约需要几十个气袋。气体收集完成后，使用化学分析法分析气袋中的O2和CO2的浓度,以及气体体积,得出受试者单位时间内O2的消耗量CO2的生成量,并计算RQ/能量消耗量(EE)等。这就是道格拉斯气袋法（Dogalas Bag method，DB法）它也被誉为气体代谢测试的“金标准”（gold standard），常被用于评判新的气体代谢设备测量的效度。

道格拉斯气袋法(Dagalas bag) 示意图

由于DB法测试整个过程缓慢而且非常繁琐，随后发展出了更多其他的测试方法，第一阶段——道格拉斯气袋法(Dagalas bag) ，第二阶段——混合气袋法(mixing bag)，第三阶段——每次呼吸气法，第四阶段——每口气法(breath by breath)。

目前来看，更为及时的每口气法技术(breath by breath)是当今气体代谢测试技术的主流，，因为更高的采样分析速度意味更加丰富的测试内容以及测试数据的更加精确。每口气法分析每一口呼出气的VE、O₂和CO₂浓度，使VO₂的测试成为一个快速、精确、动态测试。无线传输技术的应用，使气体代谢测试突破了以前测试只能在跑台或功率车上进行，它可以测试自由活动状态下的气体代谢状况。